工业自动化仪表的节能方式探究

王猛

摘要：由于科学技术的发展，工业自动化仪表在我国的工业制造领域的作用十分重要。当前全球范围内能源问题备受关注，因此工业自动化仪表的能耗问题也成为企业关注的焦点。文章分析了工业自动化仪表的简单结构，并阐述了3种工业自动化仪表的节能方法，以降低工业自动化仪表在应用中的能耗。

关键词：自动化仪表；工业；节能方式

我国自改革开放以来，工业生产规模日益扩大，各种大容量、高效率和高参数的新型设备越来越多地在工业生产中应用，我国的工业生产正以一种蓬勃发展的趋势迈向自动化时代。工业自动化水平的高低，是衡量一个国家科学水平与生产技术先进程度的重要标志之一。事实上，仪表和节能在工业生产的过程中是密不可分的。

1.工业自动化仪表

工业自动化仪表通常由变送器、调节器及执行器构成，其简单的结构原理如图1所示。被控参数的数位，必须用各种变送器来检测；各种数学运算和逻辑判断，必须用各种调节器和逻辑运算器来进行；系统中的执行指令，则必须由各种执行器来完成。

变送器是将各种工艺变量和电气信号转换成相应的统一标准信号，包括测量部分（输入转换部分）、放大器和反馈部分。变送器分为模拟变送器和数字变送器。数字变送器由传感器部件和电子部件组成，其中电子部件由微处理器、A/D转换器、D/A转换器、通信器件等组成。

调节器是接收偏差信号后，按照一定的运算规律输出控制信号，作用于被控对象，以消除扰动对被控变量的影响，从而使被控变量回到给定值上来。调节器分为模拟调节器和数字调节器。模拟调节器采用模拟技术，以运算放大器等模拟器件为基本部件。模拟式控制器所传送的信号形式为连续的模拟信号，其基本结构包括比较环节、反馈环节放大器等。比较环节：将被控变量的测量值与设定值进行比较得到偏差。电动控制器是在输入电路中进行电压或电流信号的比较。反馈环节：控制器的PID控制规律是通过反馈环节进行的。输出的电信号通过电阻和电容构成的无源网络反馈到输入端。放大器：放大器实质上是一个稳态增益很大的比例环节。在电动控制器中可采用高增益的集成运算放大器。数字调节器包括主机电路、过程输入通道、过程输出通道、人机联系部分和通信部件等。

執行器是由执行机构和调节机构组成，执行机构产生推力或位移的装置，调节机构直接改变能量或物料输送量的装置，通常称调节阀。执行器分成电动执行器（角行程和直行程）、气动执行器（薄膜式和活塞式）、液动执行器，液动执行器的电液伺服控制系统如图2所示。

2.工业自动化仪器仪表节能的方法

在化工生产过程中，由于仪器和液体直接接触会产生一定的阻力，由于这种阻力会加速能源消耗，并且阻力越大，消耗的能源越多。由于阻力不断加大，可能会使自动化仪表产生损坏或者失灵。由此可见，需要降低流体与仪表之间产生的阻力，这是实现节能降耗的关键。

（1）增加节流装置的直径比。节流装置是流量中的关键部分之一，节流装置在各种流量监测装置中应用十分广泛。实际流体具有一定的黏度，当流体通过节流件时会产生一定的涡流，产生涡流时为了克服摩擦阻力会消耗部分能量，因而通过节流件之后液体的静压力会产生一定的损失，并且不能完全恢复，由于压力损失和直径比成反比，要想降低压力损失就必须增大直径比，利用这一原理可以降低能量损耗，从而实现节能减排的最终目的。但需要注意的是，直径比不能太大，否则也会造成不必要的电能浪费。

（2）降低调节阀的阀阻比。调节阀的阀组比概念如下：当阀在全开状态时，压降与管路总压降之比被称作调节阀的阀组比，通常阀组比用s表示，根据以往的经验值可知，s通常不小于0.3，燃气阀s的取值一般在0.5以上，比例阀s的取值一般在0.3-0.5。阀门值s和能量损失成正比，通过降低阀组比s可以降低工业自动化仪表的能量损耗。

（3）使用新型交流变频调速装置。变频调速技术是一种以改变电机频率来达到电机调速目的的技术，其基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：n=60.f（1-s）/p（式中n，f，s，p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数），通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。该技术主要具备以下优势：调速比均匀并且调节的范围很大，调速过高发生的概率较低，提高了运行效率，并且降低了调节阀的使用成本；需要的启动电流较小，不会因为电流较大而对系统造成冲击，显著节省了用电量；具有安装阻力小、占用空间小、装置体积小等优点，显著降低了安装和调试过程中的能耗；电动机运行过程中保持低转差率，可以显著降低转子损耗。将交流变频器与原有的调节器、截止阀并用的方法可知，使用交流变频器可以减少1/3的电量损失，节能效果较好。此外，在应用交流变频器时，机组的运载负荷可以显著降低，降低机组故障的发生率，确保机组的长久运行，相应地降低维修成本的投入。由此可知，新型交流变频调速器的应用可以降低仪表的能耗，它的应用范围将逐步扩大替代旧有的工作设备。

（4）使用压力损失较低的自动化仪表。流体在装置中会形成漩涡区、死水区或者黏度过大等造成压损，从而浪费能量，如果压损过大会对整个生产系统的运行造成干扰，因此，在实际生产过程中会使用压力损失较小或者无压损的自动化仪表。当前，旋涡流量计由于其无需随时更换电池，运行功耗极低，从而降低了电力能量损耗；内部无机械传动构件，降低功率，减少机械摩擦，并且更换和维修频率显著降低，得到了广泛的应用。

3.结语

由于当前的信息技术、计算机技术及自动化技术的发展十分迅速，因此，工业自动化仪表技术的应用领域也将不断扩大，其性能也将不断提升。由于当前能源节约已经成为我国的基本国策，因此，也要重视自动化仪表的节能研究，快速更新工业自动化仪表的使用方法和技术，不断提高降低企业的能源损耗，提高企业的经济效益。